Основни концепции на LCD технологията
Откривателя на течните кристали през 1888 Friedrich Reinitzer-австрийски ботаник.
Развитието на съвременният LCD панел датира много по-далеч във времето от големите телевизори които гледате днес. През 1888 Friedrich Reinitzer е сред първите, които откриват течно кристалният характер на
холестерол бензоата, получен от моркови от всякакви сортове. Reinitzer открил, че на 145 градуса целзий, материалът се топи, само мътно-облачно. На 170 градуса целзий материала става чист и ясен. Същата година той представя заключенията си на срещата на Vienna Chemical Society . Otto Lehmann и Charles Mauguin публикуват статии в 1904 и 1911 ,които разширявават дейността на Reinitzer, но течните кристали до голяма степен остават научно любопитство за следващите 80 години.
Съвременното преоткриванеПрез 1962г Ричард Уилямс от RCA, забелязал, че могат се да постигнат някои интересни електро-оптични ефекти при течните кристали ,чрез прилагане на електроенергия по тях.Ефекти описващи това, което е известно като "Williams Domain" вътре в течният кристал. През 1964 г. Джордж Heilmeier, както и компанията- RCA, разширяват иследванията си върху работата на Уилямс и успяват да получат ясна млекообразна течност ,чрез прилагане на електроенергия. Heilmeir действително прогнозира ,че е постижимо да се направят големи стенни пълноцветни LCD дисплеи. Първата действителна активна матрица/TFT/ за дисплей е направена от T. Peter Brody през 1972 година.Първоначално моделите са били ограничени до малки дисплеи, като калкулатори, часовници и други малки устройства. В действителност идеята е разширена от Tomio Wada от Sharp, който през 1973 г., разработва за първи път LCD продукт-дисплей за джобен калкулатор. През 1988 г. Sharp показа първият LCD панел с активна пълноцветна матрица. През 1991 година Magohiro Aramoto от Sharp представи първия окачен на стената телевизор с течни кристали. Най-после мечтата на Heilmeier става реалност.
Няколко компании започват инвестиции в LCD технологията в големи мащаби. Sharp е лидер, тъй като те първи показват първия си цветен 14" цветен дисплей през 1988 година. Оттогава други производители, като "Самсунг", Hannstar, LG, Acer, BenQ, HP, Casio, Sony и Viewsonic (сега са много, много повече!) влизат в битка за позиции на пазара. Sharp продължава да е индустриален стандарт, но Samsung и Sony също правят претенции към технологията . Въпреки, че RCA е водеща в развитието на LCD технологията, никога не е била в състояние да капитализира инвестициите си в изследванията и никога не успяв да продаде свой продукт.
LCDs са буквално навсякъде, тъй като са сравнително евтини, се използват във всякакви приложения. Големите производители като Samsung, Sharp, Hannstar и много други, са похарчили стотици милиони долари за подобряване на технологията. Днес, LCD може да варира в размер от една малка част от инча до размерите на чудовище- Sharp 108 "дисплей. Дизайна на активната матрица не се е променил много след 1972 година.
Течните кристали представляват органични съединения с дълги молекули, които в естествено състояние се характеризират с наличие на близко и отсъствие на далечно подреждане, т.е. най-често съседните молекули се разположени успоредно по дължина една на друга, но като цяло съвкупността им е по-скоро хаотична.
В LCD панелите течните кристали се затварят между две успоредни прозрачни плоскости с много фино набраздена вътрешна повърхност. Молекулите на течните кристали следват ориентацията на вътрешните набраздявания, и тъй като двете плоскости са набраздени под ъгъл 90° една спрямо друга, това води до своеобразно „усукване” на молекулите. Пътят на светлинният поток зависи от подреждането на молекулите и при преминаване през слоя от течни кристали светлината може да промени направлението си.
При типичния TN (Twisted Nematic) дисплей току що описаната течнокристална структура се загражда от двете страни с допълнителни поляризационни филтри, чиито вектори на поляризация са взаимно перпендикулярни. При движението си през тях светлината се поляризира от първия филтър, но преминавайки през „усуканите” течни кристали завърта направлението на поляризация на 90° и по този начин достига до втория филтър с подходящата ориентация, за да премине напълно безпрепятствено през него. Ако обаче приложим електрично напрежение, молекулите на кристалите се „изправят” следвайки посоката на силовите му линии. Тогава вече светлината остава непроменена при пресичането на течнокристалния слой и достигайки до втория поляризационен филтър се блокира напълно, т.е. на екрана в съответната зона се образува черен пиксел. Казано накратко, при отсъствие на напрежение светлината преминава безпрепятствено и формира светъл пиксел, а при прилагане на напрежение тя е блокирана и на екрана се образува черен пиксел. Ролята на светлинен източник изпълнява флуоресцентната подсветка, чиито лъчи се разпределят равномерно по цялата площ на екрана.
Първата значителна стъпка за усъвършенстване на LCD дисплеите бе преминаването към TFT (Thin Film Transistor). При тях управляващите транзистори, които подават напрежението върху слоя от течни кристали, се метализират в тънък слой (откъдето идва и името им) директно върху всеки субпиксел. Поради този директен контрол на ниво субпиксел, TFT дисплеите са поне 10 пъти по-бързи от първоначалните STN модели. Всъщност, времето на реакция (индикатор за бързината), с която пикселите на екрана превключват от бяло в черно и обратно), е много важен параметър за дисплея и неговите качества. Колкото по-ниско е времето на реакция, толкова по-„пъргава” е матрицата на дисплея и толкова по-добре се справя тя при точното възпроизвеждане на най-динамичните сцени от филмите. С помощта на редица авангардни технологии, времето за реакция на съвременните панели достигна и подмина границата от 8ms и на практика напълно изчезна проблема с неприятното замазване на образа след бързо движещите се по екрана обекти.
Другият основен проблем при старите LCD панели бе малкия ъгъл на виждане, който ги правеше непригодни за внедряване на телевизионния пазар.През 1996 година обаче се появиха IPS (In Plane Switching) и S-IPS (Super IPS) панели, които значително разширяват ъгъла на виждане във всички посоки. Аналогично действие има и въведената от Fujitsu MVA (Multi Domain Vertical Alignment) технология. Без да се спираме в излишни детайли около тяхната същност, ще сравним крайния ефект от прилагането на S-IPS или MVA. Предимствата на MVA – при него се губи по-малко яркост, отколкото при IPS. Контрастът при MVA обикновено е по-висок, но за сметка на това деградира в по-голяма степен при увеличаване на зрителния ъгъл в сравнение с IPS. Недостатъците на MVA дисплеите – по-скъпи са от S-IPS и не са толкова убедителни в предаването на черното. Обърнете внимание, че някои производители (Sony и Samsung например) използват PVA технология за по-широк ъгъл на видимост на дисплеите, която по същество е сходна с MVA.
Коефициент на контрастност и скорост на реакция на пикселитеПроблемът с тези две технически характеристики е в това, че те имат по няколко различни варианта, изчислявани по различни начини. А специалистите от отделите по маркетинг предпочитат да насочват своето и нашето внимание към техническите данни, които гарантират най-впечатляващ резултат. В случая със скоростта на реакция на пикселите това, което вие трябва да знаете, е дали даден LCD телевизор е оптимизиран за свеждане до минимум на размазването на изображението при възпроизвеждане на видео с бързодвижещи се обекти – а това е един постоянен характерен проблем на LCD технологията. Днес този проблем се решава най-добре от 100-херцовата технология за LCD екрани. Повечето 100-херцови LCD телевизори вмъкват интерполирани кадри в традиционния 50-херцов видеосигнал. В резултат в комбинация с усъвършенстваните технологии за управление на пикселите се получава по-детайлно, по-чисто изображение, когато видеоматериалът изобразява движещи се обекти. Но също като разделителната способност 1080р 100-херцовата технология обикновено оскъпява телевизора.Аз от години наблюдавам системите за домашно кино, но все още не съм виждал LCD телевизор с тъй нареченото „бледо изображение“. Като се има предвид, че повечето LCD телевизори са относително ярки, не се задълбочавайте много по отношение на цитирания от производителя коефициент на контрастност. По-добре обърнете внимание на това кой модел възпроизвежда най-плътно тъмните цветове във видеоматериалите (това е тъй нареченото „ниво на черния цвят“). Ако два добре настроени LCD телевизора бъдат поставени един до друг, този с по-тъмни черни цветове често пъти ще има по-детайлна, по-добре наситена и по-привлекателна картина. Не преценявайте качеството на изображението при приетите по подразбиране настройки на изображе- нието на телевизора с висока разделителна способност. Когато е възможно, правете оценка на качеството на изображението, използвайки някой от специалните предварително установени режими, като Theater, Natural или Movie. Тези режими не гарантират подходящи настройки на видеото, но обикновено свеждат до минимум най-отвратителните „подобрения“ (като повишаване на яркостта на изображението за сметка на детайлността); така те създават най-реалистично изглеждаща картина. Освен това обръщайте внимание на фините детайли в сенчестите места в кадъра, особено когато се изобразяват сцени с оскъдно осветление – такива материали затрудняват най-много LCD екраните.
Време за реакция – white to black срещу gray to grayПри дисплеите от по-старо поколение доста широко използван начин за характеризиране на скоростта им беше преходът black–white–black. Казано по друг начин, това е времето, което е нужно на матрицата, за да промени състоянието на един субпиксел от напълно затворено (черен цвят) до напълно отворено (бял цвят), след което отново до затворено положение. Проблемът с този тип измерване е, че то всъщност не дава реална информация за скоростта на LCD матрицата. Това е така, тъй като транзисторите, управляващи всеки субпиксел, всъщност не се затрудняват да извършат много бърз преход между двете крайни състояния – на практика става въпрос за промяна на управляващото напрежение на всеки пиксел.
Съвсем по друг начин стоят нещата, когато става въпрос за преход между две близки стойности на един и същи цвят – тогава времето, което ще е нужно на управляващите елементи, е значително по-дълго, като често може да надвишава дори няколко пъти времето, необходимо за прехода black–white–black. Ето защо в момента се използва като стандарт именно измерване на времето за реакция на LCD матрицата за прехода “сиво към сиво” (gray-to-gray). Благодарение на това сегашното поколение дисплеи с течен кристал се описват доста по-реалистично от своите характеристики, което обаче съвсем не означава, че те са постигнали “пъргавината” на образа, така присъща само на CRT мониторите.
Ако трябва да сме честни, с простото ускоряване на времето, за което се включва или изключва даден пиксел, едва ли някога ще се стигне до момент, в който LCD матрицата ще изглежда визуално по-бърза от CRT монитор. Това се дължи не толкова на несъвършенство в матрицата, колкото на самото човешко око – т.нар. остатъчно изображение. Ефектът се дължи на сравнително дългото време, за което избледнява образът в ретината на човешкото око. Колкото по-ярък е бил погледнатият обект, толкова повече време ще е нужно, за да се изчисти напълно неговото изображение от ретината. В типичния случай са нужни около 10 до 20 ms, за да стане това; факт, който напълно обезсмисля светкавичната реакция на LCD матрицата. Защо обаче я обезсмисля? Нека разгледаме ситуация на преместване на пиксел от изображението с една стъпка встрани
При CRT екрана имаме налице няколко празни кадъра, с което се дава своеобразен аванс от време на човешкото око.
При класическия CRT монитор, пикселът угасва в момента, в който електронният лъч спре да го опреснява – в този случай човешкото око има няколко “нулеви” кадъра време, през което образът да избледнее. Появата на новия пиксел се регистрира “на чисто”, създавайки илюзията за мигновеното му преместване
При LCD матрицата смяната на мястото на пиксела настъпва мигновено, но двете изображения се смесват в ретината.
За разлика от CRT кинескопите, пикселите на LCD матрицата не се нуждаят от непрестанно опресняване, за да не угаснат. В общия случай светенето на всеки субпиксел, респективно пиксел от картината като цяло, е непрекъснато до момента, в който той бъде изключен. Само по себе си това е чудесно, защото изчезва дразнещото при кинескопите трептене, когато се работи при ниска честота. По ирония на съдбата обаче именно това отчасти води до илюзията на размазване при движение на изображението по екрана. При мигновената смяна на пиксела остатъчното му изображение в ретината на окото се смесва с новото, при което се получава ефект на остатъчен шлейф от избледняващи копия на обекта, който се движи.
По-нататъшното ускоряване на LCD матриците почти няма да се отрази върху тази илюзия, тъй като първоизточникът за нея е ретината на човешкото око. Ето защо производителите на течнокристални дисплеи се обръщат към нови идеи, с които да се справят с това – един от начините е изкуственото добавяне на нулев кадър между всеки два нормални кадъра. По-грубо казано, това представлява нещо като угасяване на дисплея между всеки два кадъра, които той изобразява. За съжаление подобна реализация има своята отрицателна страна – въвеждаме фактора “трептене” в монитор, който е замислен, за да го избегне.
Вместо да се гаси целият екран, в момента между два кадъра последователно се спира една от 16-те използвани лампи в подсветката. Макар и не напълно според метода, който описахме преди малко, по този начин се създава усещането за бърза реакция на матрицата. За съжаление реализацията има и отрицателна страна – поради факта, че във всеки един момент в дисплея работят 15 от 16-те лампи, на теория следва да страда неговата яркост.
Освен намалената яркост, този метод за съжаление има още един недостатък – чрез превключването на лампите от подсветката ние въвеждаме фактора трептене. Иронията в случая е, че го правим с дисплей, който използва технология, създадена за да премахне трептенето и нуждата от висока честота на опресняване. Въпреки това използването на висока честота на опресняване на изображението чисто технически би могло да се справи както с трептенето на образа, така и с илюзията за мудност на реакция на дисплея, без на практика да се променя времето за реакция.
Ефектът отново се дължи на особеностите на човешката ретина – ако вземем за пример случая, бързо движещ се обект с равномерна скорост, при 60 Hz изображението й ще се опреснява на всеки 16,7 ms. За човешкото око обектът ще “влачи” след себе си следа, която представлява смесване на отпечаталия се в ретината образ с избледняващото му копие от предходния кадър. При два пъти по-висока честота на опресняване ще имаме време между отделните кадри наполовина на това при 60 Hz, т.е. 8,3 ms. В крайна сметка ефектът за човешкото око ще е илюзията за доста бързата реакция на дисплея, макар на практика да няма промяна във времето на реакция на отделните пиксели.
Цветова гама, или способни ли са LCD да я пресъздадат адекватно?Един от доста широко застъпените недостатъци на LCD дисплеите е именно неспособността им да пресъздават адекватно цветовата гама. В сравнение със CRT мониторите те наистина до известна степен им отстъпват в това отношение. Производителите обаче правят известни постъпки в тази насока и в близко бъдеще спокойно може да очакваме решаване на проблема.
На какво се дължи тази разлика между двата вида технология? За разлика от формирането на цвета при CRT кинескопите, където е възможен прецизният и фин контрол върху светимостта на всеки субпиксел, при LCD матрицата това не е така. Тук всеки отделен цвят на субпикселите се получава чрез преминаване на бялата светлина от подсветката през съответен цветови филтър.
За съжаление за филтриращите елементи в LCD матрицата е невъзможен идеален случай, в който те ще пропускат само един цвят
Защо тогава се получава тази разлика, след като на теория следва да постигнем същото качество на цветопредаването? В основни линии това се дължи на факта, че цветовите филтри действат не само на определена дължина на спектъра, а на целия. По-конкретно казано, преминаването на чисто бял цвят през червен филтър например ще има като краен ефект червена светлина. За съжаление фосфорът, използван във флуоресцентните лампи на подсветката, не излъчва светлина с конкретна дължина на вълната – т.е. чисто бял цвят. В общия случай тя обикновено е смесена с “паразитни” добавки от жълтия цвят, което в крайна сметка значително влияе на крайния резултат. Вследствие на това до същия този червен филтър пристига светлина с жълт оттенък, която дава като ефект не съвсем чисто червен цвят.
Покритие на цветовото пространство в %
технология NTSC PAL
CCFL 72 100
Plasma 75 104
CRT 76 105
White LED 82 115
WCG CCFL 92 127
RGB LED 105 146
При лазерните телевизори е малко по различно -поради причината че лазерът е кохерентно лъчение и при него цветовете са чисти -за това те се измерват в проценти от зрителния обхват на цветовете.
лазерните телевизори- 90% от видимите цветове.
LCD телевизори- 30% от видимите цветове.
PDP телевизори- 30% от видимите цветове.
Както виждате сами LCD и плазмените телевизори са доста бедни на цветове.
Решението на проблема може би се заключава в използването на LED като подсветка вместо сегашните флуоресцентни лампи. Светодиодите имат потенциала да изместят напълно използваните досега лампи, тъй като самите те излъчват ярка и наситена светлина в точно определен спектър. За съжаление използването на LED като заместители има и един доста съществен недостатък – дисплеите с подобна технология засега се предлагат на зашеметяващи цени, понякога надвишаващи до два пъти цените на обикновените модели.
В крайна сметка
И така, разгледахме някои от проблемите, които често се посочват като недъзи на LCD технологията. Както се вижда, повечето от тях са не толкова технологични недостатъци, колкото своего рода илюзия поради определени недостатъци на човешката ретина. В общия случай за средния потребител недостатъци като време на реакция и цветопредаване на LCD матриците са по-скоро пренебрежими, предвид другите предимства, предлагани от тях.
